【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系教授夏維東研究團(tuán)隊與合肥碳藝科技有限公司合作，提出“利用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻熱等離子體合成石墨烯”的新方法，突破了熱等離子體工藝或高能耗、或產(chǎn)品均勻性低和生產(chǎn)穩(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸，有望實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。
 

　　等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負(fù)電的電子構(gòu)成。當(dāng)被加熱到足夠高的溫度或其他原因，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，就像下課后的學(xué)生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核，這個過程就叫做“電離”。這時，物質(zhì)就變成了由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的、一團(tuán)均勻的“漿糊”，因此人們戲稱它為離子漿，這些離子漿中正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。
 

　　石墨烯(Graphene)具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，被認(rèn)為是一種未來革命性的功能/結(jié)構(gòu)材料，在能源環(huán)境、生物醫(yī)療、電子器件、化工和航空航天等多方面具有重要的應(yīng)用。采用射頻感應(yīng)加熱和微波加熱等離子體制備石墨烯能耗高，難以工業(yè)化應(yīng)用。
 

　　等離子體(plasma)又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間、空間物理、地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的技術(shù)和工藝。
 

　　熱等離子體熱解碳?xì)浠衔锖铣墒?，由于等離子體電導(dǎo)率隨著溫度增加迅速上升，導(dǎo)致電弧自動收縮到很小的范圍，對于合成石墨烯要求的毫秒級反應(yīng)時間，難以實現(xiàn)均勻加熱，產(chǎn)品均勻性差，能耗高。采用課題組研制的磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻等離子體的技術(shù)，解決了等離子體對物料快速均勻加熱問題。所制備的石墨烯平面尺寸50-300nm，層數(shù)2-5 層，表現(xiàn)出良好的晶體結(jié)構(gòu)和超大的比表面積，產(chǎn)品均勻性好；制備方法及設(shè)備簡單，一步合成，無需還原，且無需基底、催化劑、溶液或酸，收率高約(~14%)，能耗低約~0.4kW·h/g，成本低，具備實現(xiàn)低成本大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的前景。
 

　　石墨烯對物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進(jìn)行論證的量子效應(yīng)可以通過實驗經(jīng)行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)——因為無質(zhì)量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學(xué)來描述，這為理論物理學(xué)家們提供了一個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進(jìn)行的試驗，可以在小型實驗室內(nèi)用石墨烯進(jìn)行。
 

　　研究工作探究了等離子參數(shù)、原料氣體組成與納米石墨烯形態(tài)、層數(shù)及缺陷之間的關(guān)系，同時揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要的工藝條件。結(jié)合等離子體反應(yīng)器流場溫度場的數(shù)值模擬和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計算，提出石墨烯可能的形成機(jī)理：低碰撞頻率的成核前驅(qū)體有利于形成片層(sheet-like)核心，并在富氫和高溫的等離子體環(huán)境中保持平面生長。石墨烯形成機(jī)理的闡明，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導(dǎo)。
 

　　資料來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、百科